Разработка модели автоматизированного управления технологическими установками разделения углеводородов Мущинин Алексей Викторович

Содержание к диссертации

Введение

Глава 1. Проблемы и перспективы математического моделирования и управления химико-технологическими системами (ХТС) 15

1.1. Состав ХТС 15

1.1.1. Существующие подходы к математическому моделированию ХТС16

1.2. Моделирование систем управления 18

1.3. Математическое моделирование функциональных блоков ХТС 21

1.3.1. Экспериментально-статистические методы моделирования ХТС 21

1.3.2. Регрессионный и корреляционный анализ уравнений 24

1.3.3. Общий вид уравнений материально-тепловых балансов ХТС 26

1.4. Особенности управления технологическими установками разделения углеводородов 29

1.4.1. Управление процессом пуска и останова в ручном режиме. Достоинства и недостатки 32

1.4.2. Технологический регламент установки дебутанизации углеводородов 34

1.4.3. Основные этапы пуска установки дебутанизации углеводородов 37

1.4.4. Экспериментальное исследование процесса пуска установки дебутанизации углеводородов 38

1.5. Моделирование системы программного управления в АСУТП и тренажерных комплексах 44

1.5.1. Текущее состояние отрасли тренажеростроения и существующие подходы к разработке тренажерных комплексов 44

1.5.2. Построение компьютерных тренажеров по обучению промышленного персонала работе в системах управления 50

Глава 2. Моделирование технологической установки разделения углеводородов на языке непрерывных функциональных схем 52

2.1. Моделирование установки на языке НФС 52

2.1.1. Условные обозначения параметров функциональных блоков 54

2.1.2. Условные обозначения параметров функциональных блоков в программном коде 59

2.1.3. Алгоритмы сопряжения функциональных блоков 60

2.2. Конфигурирование типовых ХТС 62

2.2.1. Конфигурирование контура регулирования расхода 62

2.2.2. Конфигурирование ХТС, состоящей из емкости, контуров регулирования уровня и расхода продукта 64

2.2.3. Конфигурирование ХТС теплообмена с контуром каскадного регулирования 67

2.3. Конфигурирование ХТС дебутанизации углеводородов 70

2.4. Математические модели функциональных блоков НФС дебутанизации углеводородов 80

Глава 3. Разработка компьютерных тренажеров на основе модели автоматизированного управления 101

3.1. Метод разработки компьютерных тренажеров для обучения персонала. Этапы разработки 101

3.1.1. Уровень визуализации технологических схем 102

3.1.2. Уровень математических моделей 103

3.1.3. Уровень разработки сценариев 106

3.1.4. Модуль обработки сценариев 110

3.2. Разработка интерактивного пользовательского интерфейса тренажера111

3.2.1. Описание интерфейса оператора 111

3.2.2. Описание интерфейса администратора 119

3.3. Сценарий пуска узла дебутанизации углеводородов в компьютерном тренажере 120

3.4. Разработка и внедрение компьютерных тренажеров для обучения промышленного персонала нефтехимических производств ПАО «Нижнекамскнефтехим» 134

Глава 4. Моделирование и управление процессом дебутанизации углеводородов в производстве этилена 139

4.1. Распределенная система программного управления 139

4.1.1. Построение программы управления процессом пуска установки дебутанизации углеводородов 141

4.1.2. Программа управления расходом питания в колонну от времени пуска 142

4.1.3. Программа управления расходом пара в кипятильник колонны от времени пуска 145

4.1.4. Программа управления расходом фракции С3-С4 на печи пиролиза от времени пуска 148

4.1.5. Программа управления температурой питания колонны от времени пуска 152

4.1.6. Программа управления уровнем жидкости в флегмовой емкости от времени пуска 154

4.1.7. Программа управления давлением в колонне от времени и параметров пуска 156

4.1.8. Программа управления уровнем в кубе колонны от времени и параметров пуска 161

4.2. Алгоритмы программного управления установкой разделения углеводородов 165

4.2.1. Программное управление расходом питания в колонну 165

4.2.3. Программное управление расходом флегмы 169

4.2.4. Программное управление расходом фракции С3-С4 171

4.2.5. Программное управление давлением в колонне 172

4.2.6. Программное управление уровнем жидкости в флегмовой емкости174

4.2.7. Программное управление уровнем жидкости в кубе колонны 178

4.3. Алгоритм программного управления пуском установки дебутанизации углеводородов 181

Заключение 187

Список литературы 189

Приложение 1 210

Приложение 2 213

Приложение 3 221

• Экспериментальное исследование процесса пуска установки дебутанизации углеводородов
• Конфигурирование ХТС дебутанизации углеводородов
• Сценарий пуска узла дебутанизации углеводородов в компьютерном тренажере
• Алгоритм программного управления пуском установки дебутанизации углеводородов

Введение к работе

Актуальность темы исследования. Технологические установки разделения углеводородов составляют значительную часть технологического оборудования в нефтехимии, нефтепереработке, пищевой и других отраслях промышленности. Применяемая в промышленности система управления (СУ) такими установками предназначена, в основном, для стабилизации технологических параметров с помощью локальных систем с П, ПИ, ПИД законами регулирования температуры, давления, уровня и расхода, настройки которых определяют на основе переходных функций, полученных в результате эксперимента или обработки статистических данных с действующих аппаратов в узком диапазоне изменения параметров, по не всегда обоснованным каналам регулирования и поступающих возмущений. Остается малоизученной проблема автоматизации процесса пуска и останова технологических установок разделения углеводородов. Время пуска технологических установок после проведения ремонтных работ достигает нескольких суток. Материальные и энергетические затраты в процессах пуска/останова составляют непроизводственную часть расходов, которые повышают себестоимость продукции.

Пуск технологических установок обычно проводится в режиме ручного управления с помощью регуляторов, а также путем включения/отключения потоков аппаратчиками. В зависимости от профессиональных качеств производственного персонала определяются время пуска, возможные нарушения технологического режима и создание аварийных ситуаций, ущерб от которых составляет сотни миллионов рублей. По оценкам экспертов из-за ошибок операторов возникает около 22% аварий. В этой связи актуальной является задача повышения качества управления путем автоматизации динамических режимов работы технологических установок и обучения производственного персонала на тренажерных комплексах, что позволяет снизить аварийность и сократить время пуска на 15-35%. Несмотря на интенсивное развитие тренажеростроения и наличие большого количества предложений не существует типовых решений по автоматизации динамических режимов работы технологических установок ректификации в силу отсутствия в настоящее время достоверных математических моделей технологических процессов, методов и алгоритмов управления.

Степень научной разработанности темы исследования. Автоматизация энерготехнологических установок осуществляется с помощью средств автоматики и вычислительных систем на основе распределенных систем управления (РСУ) и систем противоаварийной защиты (СПАЗ). Анализ работ отечественных ученых Дозорцева В.М., Веревкина А.П., Кирюшина О.В., Ельцова И.Д., а также зарубежных авторов F. Hayes-Roth, N. Jacobstein, P. Harmon, B. Moore по совершенствованию СУ показывает, что большие резервы повышения экономической эффективности производств связаны с разработкой систем «продвинутого» и усовершенствованного управления (СУУ) APC (Advanced process control), многопараметрических СУ. Для всех таких систем главным классификационным признаком, объединяющим их в один большой класс, согласно исследованиям Веревкина А.П. является использование моделей различного назначения: модели динамики объектов управления, показателей качества и технико-экономической эффективности; диагностики исправности технических средств системы и обеспечения безопасности; управляющих частей системы и оптимизации.

Для сложных технологических систем, включающих несколько взаимосвязанных аппаратов, образующих многосвязную СУ, методы анализа одномерных систем непригодны. Анализ таких систем Веревкин А.П., Кирюшин О.В., Ельцов И.Д. рекомендуют проводить по имитационным моделям путем сбора и обработки исходных данных с итерационным подбором параметров модели или методом ситуационного

моделирования, путем выбора модели из базы аппроксимационных моделей стандартного типа и идентификации ее по текущей ситуации. Принципы построения математического обеспечения, алгоритмов и программ управления автоматизированных СУ в химической технологии широко представлены в работах школы академика Кафарова В.В., в работах Шумихина А.Г., Лабутина А.Н. и других отечественных и зарубежных ученых.

Для отработки технических решений при разработке СУ и повышения профессионального уровня (обучения) специалистов операторов актуальной стала задача разработки тренажеров различного назначения. В области компьютерного тренажеростроения в последние годы достигнуты значительные результаты компаниями Honeywell, Yokogawa, Invensys, Круг и др. Однако, динамическое моделирование, принципы построения моделей и алгоритмов управления в разработках большинства компаний остаются закрытыми. В работах Хоменко А.А., Колмогорова А.Г., Шумихина А.Г. разработаны приближенные модели технологической установки разделения углеводородов: для адекватного взаимодействия подсистем различного уровня сложности при расчете динамики процесса предложен метод сквозной синхронизации; проведен синтез имитационной тренажерной модели ректификационной колонны: предложена квазидинамическая модель технологической установки АВТ с перспективой разработки компьютерного тренажерного комплекса. На основании проведенного анализа можно считать, что основными проблемами разработки СУ являются проблемы моделирования и синтеза управляющих устройств.

Диссертационная работа выполнена в рамках государственных программ: Федеральная целевая программа «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы №14.В37.21.0591 по теме: «Распределенные тренажерные системы взрывопожароопасных химических, нефтехимических и нефтеперерабатывающих производств»; Грант Президента Российской Федерации для государственной поддержки молодых российских ученых МД-5663.2014.8 по теме: «Проектирование высокоэффективных многоступенчатых массообменных аппаратов разделения веществ»; Стипендия президента РФ молодым ученым и аспирантам на 2012-2014 годы СП-1427.2012.5 по теме «Информационные тренажерные комплексы взрывопожароопасных химических, нефтехимических и нефтеперерабатывающих производств». С проектом «Разработка тренажерного комплекса для приобретения практических навыков безопасного ведения работ сотрудниками предприятий химического, нефтехимического и нефтеперерабатывающего комплексов» стал победителем конкурса «Пятьдесят лучших инновационных идей для Республики Татарстан».

Целью диссертационного исследования является разработка модели автоматизированного управления технологическими установками разделения углеводородов для использования в компьютерных тренажерах и РСУ.

Для достижения цели исследования необходимо решить следующие задачи:

1. Разработать математические динамические модели технологических процессов
установки разделения углеводородов.

1. Провести экспериментальные исследования пуска установки разделения и показать достоверность полученных динамических моделей.

2. Разработать модель сложной автоматизированной технологической установки разделения углеводородов, оптимальную при построении программного кода СУ.

3. На основе разработанной модели и технологического регламента разработать метод построения компьютерных тренажеров по обучению промышленного персонала процессам управления технологической установкой.

5. На основе полученных динамических моделей аппаратов разработать алгоритм автоматизированного управления технологической установкой в РСУ.

Область исследования. Диссертационная работа выполнена в соответствии с паспортом специальности 05.13.06 – «Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами». При этом работа соответствует следующим пунктам специальности: п. 3. Методология, научные основы и формализованные методы построения автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУТП) и производствами (АСУП), а также технической подготовкой производства (АСТПП) и т. д.; п. 4. Теоретические основы и методы математического моделирования организационно-технологических систем и комплексов, функциональных задач и объектов управления и их алгоритмизация; п. 6. Научные основы, модели и методы идентификации производственных процессов, комплексов и систем управления ими; п. 10. Методы синтеза специального математического обеспечения, пакетов прикладных программ и типовых модулей функциональных и обеспечивающих подсистем АСУТП.

Объектом исследования является технологическая установка разделения углеводородов. Предметом исследования является модель автоматизированного управления установками разделения углеводородов.

Методология и методы исследования. В работе для решения поставленных задач использовались методы системного анализа, математического и физического моделирования динамических режимов работы технологической установки, методы управления процессами разделения углеводородов.

Научная новизна результатов исследования:

1. Разработаны математические модели динамических режимов работы
технологических аппаратов установки в виде нестационарных уравнений
термодинамики, материального и теплового балансов. Сравнение результатов
динамического моделирования технологических параметров с экспериментальными
данными, полученными при пуске установки дебутанизации показало их
удовлетворительное согласование.

4. На языке программирования CFC, оптимальном при написании программного кода, разработана модель автоматизированной технологической установки разделения углеводородов в виде НФС, построенной из связанных между собой отдельных функциональных блоков, их математических моделей и алгоритмов управления технологическими аппаратами.

5. На основе полученной модели автоматизированной установки разработан метод построения компьютерного тренажера и сценарий обучения промышленного персонала по ведению технологического процесса в соответствии с установленным технологическим регламентом.

4. В соответствии с разработанной моделью автоматизированной установки
получены модели и алгоритмы управления программных регуляторов в составе
предложенной распределенной системы управления.

Теоретическая и практическая значимость работы:

1. Получены достоверные модели динамических режимов и управления
теплообменными аппаратами и давлением в колонне в процессах ректификации.

2. Построена модель автоматизированной технологической установки разделения
различных вариантов жидких смесей.

3. Предложен метод построения компьютерных тренажеров для обучения
промышленного персонала предприятий нефтехимии и нефтепереработки.

4. На основе модели автоматизированной установки разработаны и внедрены
компьютерные тренажеры по обучению промышленного персонала в цехах заводов ПАО

«Нижнекамскнефтехим». Программное обеспечение зарегистрировано в реестре программ для ЭВМ.

Положения, выносимые на защиту:

1. Математические модели технологических аппаратов в виде нестационарных
дифференциальных уравнений тепломассообмена, термодинамики и материального
баланса, метод их решения и расчета технологических параметров установки разделения.
(соответствует п. 4 и п. 6 паспорта специальности).

2. Результаты экспериментальных исследований процесса пуска установки
дебутанизации углеводородов, подтверждающие достоверность предложенных
математических моделей технологических аппаратов и установки. (соответствует п. 6
паспорта специальности).

3. Предложенная математическая модель автоматизированной технологической установки разделения углеводородов в виде непрерывной функциональной схемы (НФС), составленная из связанных между собой технологическими и информационными потоками функциональных блоков, позволяет разработать эффективные алгоритмы и программный код системы управления процессом разделения. (соответствует п. 3 и п. 4 паспорта специальности).

4. Структура и компоненты компьютерных тренажеров: графический интерфейс, подсистемы математического моделирования, разработки сценариев, учебно-методическое обеспечение, система тестирования, сценарий обучения промышленного персонала процессам управления, программное обеспечение. (соответствует п. 4 и п. 10 паспорта специальности).

5. Алгоритмы управления программных регуляторов распределенной системы управления, обеспечивающие перевод технологического процесса из предпускового состояния в режим нормального функционирования за заданное время при допустимом отклонении технологических параметров процесса и производительности от заданных программных значений. (соответствует п. 3 и п. 10 паспорта специальности).

Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность полученных выводов подтверждается результатами экспериментальных исследований с применением современных аттестованных приборов, поверенных и надежных средств измерений и регистрации, применением законов сохранения массы и энергии, хорошим согласованием результатов расчета и проведенных в работе экспериментов, внедрением в производственный процесс тренажерных комплексов.

Основные результаты работы обсуждались на международных конференциях: «Математические методы в технике и технологиях» ММТТ XXIII (2010 г., Саратов), ММТТ XXIV (2011 г., Пенза), ММТТ XXV (2012 г., Волгоград), ММТТ XXVI (2013 г., Нижний Новгород), ММТТ XXVII (2014 г., Тамбов); на Всероссийской научно-практической конференции (2012 г., Нижнекамск), на научных сессиях КНИТУ (2012, 2013, 2014, 2015, 2016, 2017 гг., Казань), на 5-й Российской мультиконференции по проблемам управления УТЭОСС-2012 (2012 г., Санкт-Петербург), на XII Всероссийском совещании по проблемам управления ВСПУ-2014 (2014 г., Москва).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 25 печатных работ. Среди них 10 статей в журналах из перечня ВАК, 9 в материалах конференций, 6 свидетельств о регистрации программного продукта.

Личный вклад автора состоит в постановке целей и задач исследования, разработке методов моделирования и алгоритмов управления процессом пуска технологической установкой, разработке и внедрении компьютерных тренажеров на заводах ПАО «Нижнекамскнефтехим», программного обеспечения тренажеров, тестировании алгоритмов управления в РСУ. Выбор приоритетов, направлений, методов

исследования, формирование структуры и содержания работы выполнено автором при активном участии научного руководителя д.т.н., доцента Елизарова В.В.

Структура и объем работы. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Основной текст работы изложен на 209 страницах машинописного текста, содержит 73 рисунка, 24 таблицы, приложение содержит 34 страницы. Список использованных источников включает 179 наименований.

Экспериментальное исследование процесса пуска установки дебутанизации углеводородов

При пуске узла в ручном режиме регуляторы, установленные на технологических линиях, находятся в ручном режиме управления. Операции пуска осуществляются путем открытия/закрытия) ручных арматур и изменения степеней открытия регулирующих органов с пультов операторов. Экспериментальные значения параметров через определенные промежутки времени в виде показаний приборов регистрируются в режимных листах (рис. 1.8-1.14), (Приложение 1).

Первым этапом пуска является прием питания в колонну поз. E-DA-105 и набор давления в ней. Для этого в 0 часов регулятором FIC3 в ручном режиме на 10% открывается регулирующий клапан FCV3 на линии подачи ШФЛУ (рис. 1.8). За 15 минут до этого на такую же величину регулятором TIC2 в ручном режиме открывается регулирующий клапан TCV2 на линии подачи закалочной воды в подогреватель. Таким образом, ШФЛУ поступает в уже нагретое трубное пространство подогревателя. При этом начинается рост температуры ШФЛУ на выходе из подогревателя до 75 С (рис. 1.9) и рост давления в колонне до 2 кгс/см2 (рис. 1.10).

В 2 часа регулятором LICSA3 в ручном режиме на 100% открывается регулирующий клапан LCV3, установленный на линии подачи оборотной воды в конденсатор. При этом начинается частичная конденсация паров, выходящих из верха колонны. Уровень во флегмовой емкости поз. E-FA-130 увеличивается до 100% (рис. 1.11). В 3 часа включается насос поз. E-GA-130. При этом регулятором FIC4 в ручном режиме на 30% открывается регулирующий клапан FCV4, установленный на линии подачи флегмы в колонну. Начинается подача флегмы в колонну, уровень во флегмовой емкости снижается (рис. 1.11).

Для сдерживания роста давления в аппарате (рис. 1.10) к 5 часам прекращается прием ШФЛУ. Для этого регулятором FIC3 в ручном режиме закрывается регулирующий клапан FCV3. Температура на выходе ШФЛУ из подогревателя снижается до 30 С (рис. 1.9). После прекращения подачи пара и ШФЛУ давление снижается до 6 кгс/см2 (рис. 1.10).

В 7 часов регулятором FIC3 в ручном режиме на 10% открывается регулирующий клапан FCV3. Прием ШФЛУ продолжается в течение 2 часов. За это время давление в колонне поз. E-DA-105 вырастает до 8 кгс/см2 (рис. 1.10). При этом уровень в кубе колонны набирается до 45% (рис. 1.12). Далее в несколько этапов происходит увеличение приема ШФЛУ, подачи пара низкого давления в кипятильник, отбора фракции С3-С4 на пиролиз и отбора кубового остатка.

В 17 часов возобновляется прием ШФЛУ в колонну поз. E-DA-105. За 2 часа расход увеличивается до 30-35 т/ч (рис. 1.8). В кипятильник поз. E-EA-131 подается пар низкого давления (рис. 1.13).

Параллельно с подачей ШФЛУ начинается отбор фракции С3-С4 на печи пиролиза в объеме 70% от подаваемой ШФЛУ (рис. 1.14). Остальной продукт заполняет аппараты и отбирается из куба.

Далее к 29 часам прием ШФЛУ увеличивается до 40 т/ч (рис. 1.8). Отбор фракции С3-С4 увеличивается до 33 т/ч (рис. 1.14), кубового продукта до 7 т/ч.

К 39 часам подача ШФЛУ увеличивается до 55 т/ч (рис. 1.8), отбор фракции С3-С4 увеличивается до 50 т/ч (рис. 1.14), отбор кубового продукта снижается до 5 т/ч.

После вывода объекта на режим все регуляторы переводятся в автоматический режим работы. Таким образом, процесс пуска протекает в течение 67 часов.

Анализ приведенных результатов показывает, что в результате пуска в ручном режиме не удается обеспечить равномерный, «спокойный» режим пуска, не допуская скачков параметров, что приводит к необоснованным затратам энергии и сырья, а также создает возможность возникновения предаварийных и аварийных ситуаций.

Конфигурирование ХТС дебутанизации углеводородов

Технологическое оборудование данного узла состоит из ректификационной колонны поз. E-DA-105, флегмовой емкости поз. E-FA-130, насоса поз. E-GA-130 и трех теплообменных аппаратов: дефлегматора поз. E-EA-130, кипятильника поз. E-EA-131, подогревателя поз. E-EA-132. Система регулирования представлена следующими контурами: FIC1, FIC2, FIC3, FIC4, FIC5, TIC2, LICA1, LICSA3, PIC1A, PICSA1AB.

Для конфигурирования данной ХТС необходимы: 1 блок ректификационной колонны, 3 блока теплообмена, 1 блок емкости, 1 блок насоса, 10 блоков регуляторов, 8 блоков регулирующих органов, 4 блока арматуры. Рассмотрим подробный состав используемых блоков и их параметры, а также конфигурацию блоков в единую непрерывную функциональную схему.

I) Регуляторы:

1) FIC1 – регулятор отбора кубовой жидкости из колонны поз. E-DA-105.

Параметры:

Sp – уставка регулятору расхода, диапазон от 0 до 10 т/ч;

Pv – текущее значение расхода, диапазон от 0 до 10 т/ч;

Out – управляющее воздействие, диапазон от 0 до 100%. 2) FIC2 – регулятор расхода пара в кипятильник поз. E-EA-131 с коррекцией по давлению в колонне поз. E-DA-105.

Параметры:

Sp – уставка регулятору расхода, диапазон от 0 до 100%; Pv – текущее значение расхода, диапазон от 0 до 30 т/ч; Out – управляющее воздействие, диапазон от 0 до 100%.

3) FIC3 – регулятор расхода питания в колонну поз. E-DA-105.

Параметры:

Sp – уставка регулятору расхода, диапазон от 0 до 80 т/ч; Pv – текущее значение расхода, диапазон от 0 до 80 т/ч; Out – управляющее воздействие, диапазон от 0 до 100%.

4) FIC4 – регулятор расхода флегмы в колонну поз. E-DA-105.

Параметры:

Sp – уставка регулятору расхода, диапазон от 0 до 150 т/ч; Pv – текущее значение расхода, диапазон от 0 до 150 т/ч; Out – управляющее воздействие, диапазон от 0 до 100%.

5) FIC5 – регулятор расхода фракции С3-С4, уходящей из флегмовой емкости поз. E-FA-130.

Параметры:

Sp – уставка регулятору расхода, диапазон от 0 до 80 т/ч; Pv – текущее значение расхода, диапазон от 0 до 80 т/ч; Out – управляющее воздействие, диапазон от 0 до 100%.

6) TIC2 – регулятор температуры питания расходом закалочной воды через подогреватель поз. E-EA-132.

Параметры:

Sp – уставка регулятору температуры, диапазон от 0 до 100 С; Pv – текущее значение температуры, диапазон от 0 до 100 С; Out – управляющее воздействие, диапазон от 0 до 100%.

7) LICA1 – регулятор уровня в кубе колонны поз. E-DA-105 расходом питания. Параметры:

Sp – уставка регулятору уровня, диапазон от 0 до 100%; Pv – текущее значение расхода, диапазон от 0 до 100%; Out – управляющее воздействие, диапазон от 0 до 100%.

8) LICSA3 – регулятор уровня во флегмовой емкости поз. E-FA-130 расходом охлаждающей воды через дефлегматор поз. E-EA-130.

Параметры:

Sp – уставка регулятору расхода, диапазон от 0 до 100%; Pv – текущее значение расхода, диапазон от 0 до 100%; Out – управляющее воздействие, диапазон от 0 до 100%.

9) PIC1A – регулятор давления в колонне поз. E-DA-105.

Параметры:

Sp – уставка регулятору давления, диапазон от 0 до 16 кгс/см2; Pv – текущее значение давления, диапазон от 0 до 16 кгс/см2; Out – управляющее воздействие, диапазон от 0 до 100%.

10) PICSA1AB – регулятор давления в колонне поз. E-DA-105 в период пуска подачей фракции С3-С4 на факел.

Параметры:

Sp – уставка регулятору давления, диапазон от 0 до 16 кгс/см2; Pv – текущее значение давления, диапазон от 0 до 16 кгс/см2; Out – управляющее воздействие, диапазон от 0 до 100%.

11) Регулирующие клапаны:

1) FCV1 – регулирующий клапан.

Параметры:

In – расход продукта на входе, диапазон от 0 до 10 т/ч; Out – расход продукта на выходе, диапазон от 0 до 10 т/ч; Ct – управляющее воздействие, диапазон от 0 до 100%; X – текущая степень открытия, диапазон от 0 до 100%; Dout – рассогласование между текущей степенью открытия и управляющим воздействием, диапазон от 0 до 100%. 2) FCV2 – регулирующий клапан.

Параметры:

In – расход продукта на входе, диапазон от 0 до 30 т/ч; Out – расход продукта на выходе, диапазон от 0 до 30 т/ч; Ct – управляющее воздействие, диапазон от 0 до 100%; X – текущая степень открытия, диапазон от 0 до 100%; Dout – рассогласование между текущей степенью открытия и управляющим воздействием, диапазон от 0 до 100%.

3) FCV3 – регулирующий клапан.

Параметры:

In – расход продукта на входе, диапазон от 0 до 80 т/ч; Out – расход продукта на выходе, диапазон от 0 до 80 т/ч; Ct – управляющее воздействие, диапазон от 0 до 100%; X – текущая степень открытия, диапазон от 0 до 100%; Dout – рассогласование между текущей степенью открытия и управляющим воздействием, диапазон от 0 до 100%.

4) FCV4 – регулирующий клапан.

Параметры:

In – расход продукта на входе, диапазон от 0 до 150 т/ч; Out – расход продукта на выходе, диапазон от 0 до 150 т/ч; Ct – управляющее воздействие, диапазон от 0 до 100%; X – текущая степень открытия, диапазон от 0 до 100%; Dout – рассогласование между текущей степенью открытия и управляющим воздействием, диапазон от 0 до 100%.

5) FCV5 – регулирующий клапан.

Параметры:

In – расход продукта на входе, диапазон от 0 до 80 т/ч; Out – расход продукта на выходе, диапазон от 0 до 80 т/ч; Ct – управляющее воздействие, диапазон от 0 до 100%; X – текущая степень открытия, диапазон от 0 до 100%; Dout – рассогласование между текущей степенью открытия и управляющим воздействием, диапазон от 0 до 100%.

6) PCV1 – регулирующий клапан.

Параметры:

In – расход продукта на входе, диапазон от 0 до 80 т/ч; Out – расход продукта на выходе, диапазон от 0 до 80 т/ч; Ct – управляющее воздействие, диапазон от 0 до 100%; X – текущая степень открытия, диапазон от 0 до 100%; Dout – рассогласование между текущей степенью открытия и управляющим воздействием, диапазон от 0 до 100%.

7) TCV2 – регулирующий клапан.

Параметры:

In – расход продукта на входе, диапазон от 0 до 80 т/ч; Out – расход продукта на выходе, диапазон от 0 до 80 т/ч; Ct – управляющее воздействие, диапазон от 0 до 100%; X – текущая степень открытия, диапазон от 0 до 100%; Dout – рассогласование между текущей степенью открытия и управляющим воздействием, диапазон от 0 до 100%.

8) LCV3 – регулирующий клапан.

Параметры:

In – расход продукта на входе, диапазон от 0 до 30 т/ч; Out – расход продукта на выходе, диапазон от 0 до 30 т/ч; Ct – управляющее воздействие, диапазон от 0 до 100%; X – текущая степень открытия, диапазон от 0 до 100%; Dout – рассогласование между текущей степенью открытия и управляющим воздействием, диапазон от 0 до 100%.

Сценарий пуска узла дебутанизации углеводородов в компьютерном тренажере

Рассмотрим перечень действий, выполняемых при пуске узла дебутанизации углеводородов, прописанный в сценарии и соответствие этих действий пунктам технологического регламента. Как правило, каждый пункт технологического регламента разбивается на несколько действий, выполняемых пользователем. При этом система реагирует на каждое выполненное пользователем действие.

Структура данного раздела выглядит следующим образом:

1). Пункт технологического регламента.

2). Действия пользователя.

3). Реакция системы на действия пользователя.

В технологическом регламенте обозначено 9 основных пунктов пуска узла дебутанизации углеводородов. При переносе данных пунктов в компьютерный тренажер получается перечень из 55 действий (Приложение 2). Сохраним имеющуюся нумерацию действий, обозначив действия технологического регламента римскими цифрами, а для действий в компьютерном тренажере оставив арабскую нумерацию.

Для начала тестирования пользователю необходимо запустить программу

«Simulation model» (рис. 3.23), пройти процедуру аутентификации (при необходимости добавить нового пользователя), выбрать требуемую технологическую схему (Узел дебутанизации углеводородов), выбрать тест (пуск узла дебутанизации углеводородов), режим прохождения теста (экзамен) и нажать кнопку «Ок».

После этого перед пользователем появится окно общего вида (рис. 3.13). Запуск теста осуществляется путем нажатия кнопки «Старт». При этом происходит инициализация всех параметров в соответствие с выбранным сценарием. В данном случае состояние всех параметров соответствует предпусковому. Перечень параметров для инициализации представлен в приложении 2. Далее пользователь приступает непосредственно к пуску узла дебутанизации углеводородов.

I) Произвести продувку узла дебутанизации азотом от кислорода (до содержания кислорода в отходящем азоте н. б. 0,5 %).

1) Открыть ручную арматуру № 37.

Действия пользователя: Для совершения данного действия пользователю необходимо найти на схеме ручную арматуру №37 (рис. 3.24). Это можно сделать с помощью кнопки «Найти», либо с помощью миникарты. После этого необходимо совершить двойное нажатие левой кнопкой мыши по найденному визуальному объекту. При этом откроется окно управления состоянием арматуры (рис. 3.25). Текущее состояние арматуры – закрыто. Для открытия арматуры необходимо нажать на кнопку «Открыть». После этого окно управления состоянием арматуры автоматически закроется, независимо от того, верное или неверное действие совершил пользователь.

Реакция системы: После совершения активного действия пользователем, выполненное действие попадает в модуль обработки сценариев. В нем происходит сравнение действия, выполненного пользователем с действием, полученным модулем обработки сценариев с уровня разработки сценариев.

При несовпадении этих действий модуль обработки сценариев выдает сообщение об ошибке и записывает его в журнал прохождения теста. При этом на уровень математических моделей никаких управляющих воздействий не поступает.

При совпадении действий модуль обработки сценариев выдает сообщение о правильно выполненном действии и получает с уровня разработки сценариев следующее действие, которое необходимо выполнить пользователю. При этом модуль обработки сценариев отправляет выполненное пользователем действие на уровень математических моделей.

Примечание: процесс продувки аппаратов упрощен и состоит из открытия арматуры на линии подачи азота.

На уровне математических моделей меняется состояние ручной арматуры №37. Она становится открытой и данный сигнал поступает на уровень визуализации. Ее цвет меняется с красного на зеленый. Других изменений в работе математических моделей не происходит, поэтому остальные параметры на уровне визуализации не изменяются.

2) Произвести продувку узла дебутанизации азотом от кислорода (до содержания кислорода в отходящем газе н.б. 0.5%).

Действия пользователя: Данное действие является «Текстовым», поэтому при его выполнении автоматически появляется окно выбора текстовых действий (рис. 3.26). Среди представленных текстовых действий пользователю необходимо найти действие «Произвести продувку узла дебутанизации азотом от кислорода (до содержания кислорода в отходящем газе н.б. 0.5%)» и выбрать его двойным нажатием левой кнопкой мыши по данному действию.

Реакция системы: При выборе пользователем текстового действия, оно поступает на модуль обработки сценариев. В модуле обработки сценариев уже содержится действие, которое необходимо выполнить пользователю. Происходит сравнение этих действий.

При несовпадении этих действий модуль обработки сценариев выдает сообщение об ошибке и записывает его в журнал прохождения теста. При этом окно выбора текстовых действий не закрывается и система ожидает от пользователя выбора правильного действия.

При совпадении действий модуль обработки сценариев выдает сообщение о правильно выполненном действии и получает с уровня разработки сценариев следующее действие, которое необходимо выполнить пользователю. При этом выполненное действие подкрашивается в зеленый цвет. Если следующим действием является текстовое, то окно выбора текстовых действий остается развернутым. В противном случае оно автоматически сворачивается и перед пользователем появляется окно общего вида.

Действия пользователя и реакция системы на выполнение данного действия аналогичны действию по открытию ручной арматуры №37.

II) Принять оборотную воду в дефлегматор поз. Е-ЕА-130, стравить воздух через воздушник аппарата.

Данный пункт технологического регламента разбивается на ряд действий, первое из которых является текстовым. Это необходимо для однозначной идентификации пользователем выполняемой операции.

4) Принять оборотную воду в дефлегматор поз. Е-ЕА-130.

Данное действие является текстовым и выполняется аналогично описанному выше действию.

5) Открыть ручную арматуру №44.

6) Открыть ручную арматуру №46.

7) Открыть ручную арматуру №43. Данные действия выполняются аналогично действиям открытия других арматур. При этом на уровне математических моделей не происходит изменений. Это связано с тем, что единственным прибором, установленным на линии подачи охлаждающей воды является датчик температуры поз. TI2. Но так как в трубопроводе содержится воздух, то изменения температуры не происходит.

8) Открыть ручную арматуру №42.

После открытия ручной арматуры на уровне математических моделей происходит изменение температуры охлаждающей воды на выходе из дефлегматора поз. E-EA-130 по прибору поз. TI2. Температура изменяется с начальной температуры, соответствующей температуре окружающей среды, до температуры охлаждающей воды. Повышения температуры охлаждающей воды не происходит, так как отсутствует расход охлаждаемого продукта в межтрубном пространстве теплообменного аппарата.

Алгоритм программного управления пуском установки дебутанизации углеводородов

Перед началом автоматизированного пуска установки дебутанизации углеводородов ряд операций проводится вручную:

1) Произвести продувку узла дебутанизации азотом от кислорода (до содержания кислорода в отходящем азоте н. б. 0.5 %).

2) Принять оборотную воду в дефлегматор поз. Е-ЕА-130, стравить воздух через воздушник аппарата.

3) По согласованию с цехом № 2104 принять закалочную воду в подогреватель ШФЛУ поз. Е-ЕА-132.

4) По согласованию с цехом № 2104 принять пар низкого давления в кипятильник поз. Е-ЕА-131.

После проведения данных операций начинается непосредственно автоматизированный пуск установки дебутанизации углеводородов с помощью распределенной системы программного управления (РСПУ) (рис. 4.8).

Алгоритм пуска установки реализован в контроллере РСПУ следующим образом: 0 часов: Программный регулятор FIC3 сравнивает текущее значение расхода питания в колонну E-DA-105 с программным и в соответствии со значением рассогласования вырабатывает управляющее воздействие на исполнительный механизм FCV3.

Программный регулятор TIC2 сравнивает текущее значение температуры питания на выходе из теплообменника E-FA-132 с программным и в соответствии со значением рассогласования вырабатывает управляющее воздействие на исполнительный механизм TCV2.

Программный регулятор LICSA3 сравнивает текущее значение уровня в флегмовой емкости с программным и в соответствии со значением рассогласования вырабатывает управляющее воздействие на исполнительный механизм LCV3 подачи холодной воды в конденсатор.

Отсечной клапан ОК-16 и исполнительный механизм PCV1 под управлением программного регулятора PICSA1B находятся в открытом положении до начала отбора фракции С3-С4 на печи пиролиза. К этому моменту давление в колонне достигнет 8 – 9 кгс/см2.

18 часов: Программный регулятор FIC2 сравнивает текущее значение расхода пара в кипятильник E-ЕA-131 с программным и в соответствии со значением рассогласования вырабатывает управляющее воздействие на исполнительный механизм FCV2.

Программный регулятор FIC5 сравнивает текущее значение расхода пропан-бутановой фракции на печи пиролиза с программным и в соответствии со значением рассогласования вырабатывает управляющее воздействие на исполнительный механизм FCV5.

Программный регулятор FIC1 сравнивает текущее значение отбора кубового продукта из колонны E-DA-105 с программным и в соответствии со значением рассогласования вырабатывает управляющее воздействие на исполнительный механизм FCV1.

Программный регулятор PICSA1B в соответствии с программой пуска прекращает сброс фракции на факел, закрыв отсечной клапан ОК-16 и переведя исполнительный механизм PCV1 в закрытое состояние. Далее программные регуляторы FIC3 и FIC2 продолжат увеличение подачи питания и пара до тех пор пока отбор пропан-бутановой фракции не достигнет заданной мощности в 50 т/ч в соответствии с моделью программного регулятора FIC5, что произойдёт через 70 часов после начала процесса пуска.

70 часов: Все программные регуляторы при достижении заданных значений переводятся в автоматический режим нормального функционирования.

На основе разработанных алгоритмов управления выполнен расчет управляющих параметров во времени GF(t),GЗВ(t),GГП(t),L(t), обеспечивающих перевод установки из предпускового состояния в заданное с выходом на производительность по бутановой фракции GС _С =50 т/ч, при заданных выходных параметрах давления P(t)=9кгс/см , температуры 85С.

На рис. (4.18)-(4.25) приведены результаты расчета управляющих и выходных параметров установки во времени, их сравнение с программными и экспериментальными значениями.